Том 1 (1128365), страница 64
Текст из файла (страница 64)
В самом деле, величина постсинаптическогопотенциала определяется числом молекул медиатора, высвобождаемых всинаптическую щель. Значит, для того чтобы разобраться в механизмесинаптической передачи, необходимо выяснить, каким образом происходитвысвобождение медиатора из синаптического окончания. Этот вопрос важен нетолько сам по себе как одна из проблем физиологии; помимо этого историяизучения механизма выделения медиатора дает нам немало ярких примеровуспешной разработки научной методологии и экспериментальных подходов.Одним из наиболее выдающихся примеров такого рода служит доказательствотого, что медиаторы обычно выделяются квантами.
Этому и будет посвященследующий раздел.189Рис. 6.30. Спонтанные миниатюрные потенциалы концевой пластинки (МПКП), записанные от областидвигательной концевой пластинки волокна скелетной мышцы. Видно, что амплитуда МПКП невелика инепостоянна.190189 :: 190 :: Содержание190 :: 191 :: 192 :: Содержание6.8.1. Квантовое выделение медиаторовИзучая механизмы нервно-мышечной передачи, Пол Фетт и Бернард Катц в 1952г. зарегистрировали миниатюрные (амплитудой менее 1 мВ) спонтанныедеполяризующие потенциалы, которые можно было записать лишь в областипостсинаптической мембраны двигательной концевой пластинки мышцылягушки (рис. 6-30). По мере удаления внутриклеточного регистрирующегоэлектрода от концевой пластинки эти потенциалы становились все меньше.Поскольку по своей форме, динамике и чувствительности к различнымпрепаратам они были сходны с ПКП, исследователи назвали их миниатюрнымипотенциалами концевой пластинки (МПКП).
Далее мы увидим, что регистрацияэтих потенциалов сыграла важную роль в понимании механизмов выделениямедиаторов.Катц и его сотрудники решили исследовать, как связаны эти спонтанныеминиатюрные потенциалы с обычными ПКП, возникающими при возбуждениидвигательных нервов. Они предположили, что МПКП соответствуют выделению"кванта" медиатора, а нормальный ПКП складывается из многих таких квантов,высвобождаемых одновременно в ответ на поступление импульса впресинаптическое волокно. Для того чтобы проверить это предположение, онииспользовали тот уже известный факт, что при постепенном повышении вовнеклеточной среде концентрации Mg 2+ и(или) снижении концентрации Са 2+амплитуда обычного, вызванного раздражением нерва ПКП убывает.
Подробноизучив эту зависимость, исследователи обнаружили, что при соответствующихконцентрациях этих катионов величина ПКП становится равной амплитудеодиночного спонтанного МПКП или сумме нескольких таких МПКП. Измеривпостсинаптические потенциалы, возникающие в ответ на поступлениеимпульсов в пресинаптические окончания двигательных нервов в условияхвысокой концентрации Mg 2+ и низкой - Са 2+ и соответствующим образомстатистически обработав данные, Катц с сотрудниками пришел к следующимвыводам.1.
В некоторых случаях поступление ПД к двигательному окончанию невызывает никаких реакций (исследователи назвали подобную ситуациювыпадением).2. В других случаях в ответ на ПД в пресинаптическом волокне возникаютПКП примерно три же амплитуды, что и одиночные спонтанные МПКП.3. Наконец, в ряде случаев в ответ на ПД в пресинаптическом волокневозникают постсинаптические потенциалы, амплитуды которых кратнысредней амплитуде одиночного спонтанного МПКП (т.е. превышают МПКПв 2, 3, 4 и т.д.
раз) (рис. 6-31).Эти данные послужили в дальнейшем подтверждением гипотезы, согласнокоторой ПКП возникает в результате суммации большого числа квантовмедиатора, высвобождаемых в ответ на поступление к пресинаптическомуокончанию ПД; по отдельности же каждый такой квант вызывает одиночныйспонтанный МПКП. Исходя из амплитуды ПКП в мышце лягушки можносделать вывод, что этот потенциал возникает при одновременном выделении100-300 квантов ацетилхолина.При охлаждении нервно-мышечного препарата и соответствующемзамедлении высвобождения медиатора из нервного окончания кванты медиаторавыделялись не одновременно; при этом фаза нарастания ПКП становиласьступенчатой.
Каждая такая ступенька, очевидно, соответствовала отдельномукванту медиатора. Это также свидетельствовало о том, что ПКП формируется врезультате суммации эффектов множества квантов медиатора, действующих внормальных условиях одновременно. Так возникли представления о квантовомвыделении медиаторов. Далее Катц и его сотрудники задали себе простой,прямой, но важный вопрос: что же физически представляет собой один квантмедиатора, соответствует ли он одной молекуле АцХ, и если нет, то какомуколичеству этих молекул? Если бы спонтанные МПКП были обусловленыдействием одиночных молекул АцХ, "просачивающихся" из пресинаптическогоокончания, то добавление в среду, где находится препарат, ацетилхолина доочень низкой концентрации вызвало бы резкое увеличение числа МПКП. Катц ссотрудниками использовали вначале крайне низкие190концентрации АцХ и постепенно повышали их.
Однако при этом они ни разу незарегистрировали увеличение числа МПКП, а по мере увеличения концентрацииАцХ наблюдали плавно нарастающую деполяризацию. Из этого они заключили,что МПКП не возникают в ответ на действие отдельных молекул АцХ. По ихрасчетам, каждый МПКП соответствует выбросу кванта медиатора, состоящегоиз 10000-40000 молекул АцХ, и при этом активируется около 2000постсинаптических каналов. Примерно в это же время (50-е годы) методамиэлектронной микроскопии в пресинаптических окончаниях были обнаруженыпузырьки (разд. 6.6.1)-структуры, в которых могли содержаться квантымедиатора. Тем самым квантовая теория выделения медиаторов получиламорфологическое обоснование.
Это позволило сформулировать представление отом, что выброс медиатора, содержащегося в пресинаптических пузырьках,путем экзоцитоза (рис. 6-32) вызывает как МПКП (при экзоцитозе одиночныхпузырьков), так и обычный ПКП (выброс содержимого многих пузырьков).Сегодня получено множество разнообразных данных в пользу такой точкизрения. Так, измерение емкости мембраны показало, что при экзоцитозе онаувеличивается, поскольку в результате слияния пузырьков с мембраной ееплощадь возрастает.Рис.
6.31.Выделение медиаторов в двигательной концевой пластинке, А. Нервно-мышечныйпрепарат помещен в раствор с низким содержанием Са2+. В таком раствореколичество медиатора, высвобождаемого при возбуждении двигательного нервногоокончания, уменьшается, а амплитуда ПКП варьирует. Б. Вверху: частотавозникновения одиночных спонтанных МПКП разной амплитуды (вертикальныестолбики), записанных в течение определенного промежутка времени.
Внизу:частота возникновения МПКП разной амплитуды, вызванных раздражениемдвигательного нерва. Видно, что во многих случаях наблюдается "выпадение"МПКП. Для большей части вызванных ПКП (внизу) распределение по амплитудамтакое же, как и для одиночных спонтанных МПКП (вверху). Огибающие кривыесоответствуют теоретическому распределению Пуассона, полученному впредположении, что вызванные МПКП складываются из одиночных спонтанныхМПКП. (Del Castillo, Katz, 1954.)Квантовое выделение медиатора в двигательной концевой пластинкелягушки было подвергнуто тщательному статистическому анализу.
При этомоказалось, что лишь определенная часть из всего количества пузырьков,содержащихся в нервном окончании, может непосредственно опорожняться вответ на поступление в это окончание ПД. При определенных физиологическихусловиях (концентрации Са 2+ и Mg2+, температуре и т. д.) существует некаявероятность того, что какой-либо из этих "готовых"Рис. 6.32. Экзоцитоз синоптических пузырьков с медиатором. Пузырьки сливаются с плазматическоймембраной и выбрасывают свое содержимое в синоптическую щель. Медиатор диффундирует кпостсинаптической мембране и связывается с расположенными на ней рецепторами.
(Eccles, 1965.)191пузырьков выбросит свое содержимое в синаптическую щель. При сниженииконцентрации Са 2+ во внеклеточной среде этот ион поступает в волокно вменьшем количестве и вероятность опорожнения пузырьков падает. Если этавероятность будет достаточно низкой, возникнет ситуация, приведенная на рис.6-31: раздражение пресинаптического волокна будет сопровождатьсямножественными "выпадениями" (т.е. пузырьки не будут опорожняться вовсе)или выбросом содержимого лишь одного, двух или нескольких пузырьков.
Приэтом возникнут ПКП, амплитуды которых будут соответствовать величинеодного, двух, трех и т.д. МПКП. Таким образом, уменьшая концентрацию Са 2+во внеклеточной среде, можно добиться того, что на одиночный ПД будетвыделяться не 200-300 квантов, как в норме, а 0, 1, 2, 3 и т. д. При этом можнобудет рассчитать, какое количество пузырьков опорожняется в ответ наодиночный стимул, подать большое количество таких стимулов и произвестистатистический анализ полученных данных. В результате такого анализа былопоказано, что вероятность опорожнения пузырьков подчиняется типичному дляслучайных событий пуассоновскому распределению (рис.
6-31).192190 :: 191 :: 192 :: Содержание192 :: 193 :: Содержание6.8.2. Электросекреторное сопряжениеВ соответствии с квантовой теорией выделения медиаторов, если мембранныйпотенциал пресинаптического окончания равен потенциалу покоя, вероятностьтого, что тот или иной пузырек в тот или иной момент времени подвергнетсяэкзоцитозу и его содержимое высвободится в синаптическую щель, довольномала. Действительно, спонтанное опорожнение пузырьков происходит редко ислучайным образом, однако при деполяризации пресинаптической мембранывероятность выброса квантов медиатора резко возрастает.
В этом можноубедиться на примере увеличения частоты МПКП при постепеннойдеполяризации мембраны (рис. 6-33).Влияние мембранного потенциала пресинаптического окончания навыделение медиатора было исследовано Бернардом Катцем и Рикардо Миледина сверхкрупном синапсе гигантского аксона кальмара (рис. 6-34). Благодарябольшим размерам этого синапса можно было ввести микроэлектроды как впресинаптическое окончание, так и в постсинаптическую клетку рядом ссинаптической областью. Это позволяло одновременно подавать ток ирегистрировать мембранный потенциал, что на большинстве других синапсовосуществить было невозможно из-за малых размеров пресинаптическихокончаний.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
